基于SYSTEMⅡ的新型微波中功率计量系统

闫道广，陈志宇

(1.北京理工大学，北京 100081;2.中国人民解放军92493部队，辽宁 葫芦岛 125000)

0 引言

随着大型雷达、无线通信等装备的大量应用，对微波中、大功率计量的需求日益增多，目前，各计量技术机构普遍采用传统的中功率计量方法开展工作，但受制于方法的“先天缺陷”，精度普遍不高。SYSTEMⅡ型微波功率传感器自动校准系统是美国TEGAM公司的产品，该系统利用单定向耦合器法的校准原理，可实现各种通过式及终端式小功率传感器的自动校准。本文通过对传统中功率计量方法的研究分析，本文提出一种新型的微波中功率计量系统，借鉴SYSTEMⅡ功率传递系统低反射等效信号源结构，通过对输出功率电平的闭环稳幅控制实现各种中功率传感器的校准，与传统方法相比，具有稳定性好、精度高等优势[1－3]。

1 系统构建方案

传统的中功率计量方法，一般有交替比较法、衰减器法、定向耦合器法三种，形式上分为采用闭环控制回路和不采用闭环反馈控制回路两种[4]。若组成闭环反馈回路，可充分利用低反射系数等效信号源结构，系统稳定，失配误差小、精度有保证，但需要配备PIN调制器，系统构建存在一定难度;若不构成闭环控制回路，由于功率放大器的增益随着频率的变化有着较大的变化，容易造成以下两个方面的问题:一是在变换不同的频率点时，需要根据该频点的增益值设定微波信号源输出电平，稍有不慎就容易导致功率放大器的输出信号过大使被测功率传感器过载甚至损坏，增大了设备安全的风险，同时反复地调整信号源输出电平增加了测试工作的繁琐程度;二是功率放大器输出信号稳定性差，失配误差较大，校准难以达到高的精度。

通过对SYSTEMⅡ型微波功率传感器自动校准系统的构成原理以及微波中功率计量方法的分析研究，在现有的SYSTEMⅡ功率传递系统硬件的基础上，提出了基于SYSTEMⅡ的微波中功率计量方案。如图1所示。新型的微波中功率计量系统实现了低反射系数等效信号源结构，系统的输出电平可自动稳定在预先设定的输出功率值，无须频繁调整信号源的输出电平，等效信号源输出端反射系数仅由定向耦合器的性能决定，可以在一定程度上减少失配误差[5－7]。

图1 使用SYSTEMⅡ功率传递系统进行中功率校准原理框图

该方案基于交替比较法的原理，微波信号经功率放大器放大后，通过一个高耦合度的定向耦合器，该耦合器的耦合输出端通过一个可变衰减器后接至M1110标准功率座，通过射频控制器后形成一个闭环的反馈回路，即微波信号源、中功率放大器、定向耦合器、可变衰减器、功率座、射频控制器如图1连接，构成了低反射系数等效信号源结构 (图1中虚线框所示)，在耦合器的主臂输出端口构成一个输出信号电平稳定的等效信号源。通过调节可变衰减器的衰减量值来调节耦合器输出到M1110标准功率座信号电平的大小，从而通过1805A射频控制器控制等效信号源输出电平的大小[8－10]。

由于定向耦合器在不同功率量值的耦合度不具规律性，所以不易通过M1110标准功率座和定向耦合器的耦合度对耦合器主臂输出端的功率量值进行定度，只是提供一个稳定的中功率源，以定向耦合器的主臂输出端作为测试端面。对于配置完整的SYSTEMⅡ功率传递系统，可利用其组成部分中的M1110终端式标准功率座和双桥高精度功率计，配合中功率衰减器、直流数字电压表构成标准中功率计来校准被校功率座。其中标准功率座M1110的校准因子由上级计量检定部门给出。对于没有配置M1110标准功率座的情况，可以采用普通的小功率计 (如E4412A+E4416)配合中功率衰减器构成标准中功率计，只是精度略低于M1110构成的标准中功率计。

当等效信号源输出端口连接的是M1110标准功率座和标准中功率衰减器构成的标准中功率计时，则入

式中:A为衰减器的校准值;R为200 Ω;Ks为M1110标准功率座的校准因子。

对于采用普通小功率计的系统，Pi就是功率指示器的示值经与中功率衰减器衰减量计算后的功率值。

当接上被校的中功率传感器时，在对应的功率指示器上读出功率示值Pu，即可求得被校中功率传感器的校准因子 Ku，计算公式[5]为射到标准功率计的功率值Pi可由直流数字电压表读数、M1110功率座的校准因子和衰减器的衰减值计算而得[5]。当1805A的射频开关处于“OFF”状态时，在电压表上读取电压值V1，当其射频开关处于“ON”状态时，待1805A平衡指示重新回到零之后，由电压表上读取电压V2，则有

2 系统性能分析

实际测试中，系统的主要设备组成如表1所示。

2.1 频率范围

系统的频率范围主要取决于微波信号源的频率范围和功率放大器的频率范围。根据表1的设备技术性能分析，该系统的频率范围为80 MHz～18 GHz。

2.2 功率范围

对于功率的测试范围调整，可以通过调整步进衰减器的量值来调节。实际测试中，定向耦合器直接采用功率放大器的Forward监控输出端口 (耦合度约为40 dB)，可变衰减器采用Agilent公司8494B步进衰减器。当设定微波信号源输出电平为5 dBm时，通过调整可变衰减器的衰减量，闭环控制回路锁定后，可使等效信号源稳定输出在39.5～46.5 dBm范围内的若干电平点上，绝对功率相当于9～45 W，基本上满足了市场上常见中功率传感器校准的电平需求。如表2所示。

表1 系统主要设备构成

表2 等效信号源输出电平设置表

通过改变1805A设置的直流替代功率值，可以组合变化出更多不同的电平点。经实际测试，系统的功率范围为1～40 W。

使用手动调节的步进式衰减器，由于调节过程中是机械连接，会出现瞬间断开的现象，结果是等效信号源输出电平远远超出预想值，容易对被测器件造成损坏，需要特别注意。如果换为程控可变衰减器，如Agilent公司的8494H，则可杜绝这一问题。如果使用连续可调的衰减器，即可使等效信号源的输出电平连续可调。

2.3 校准因子的测量不确定度

根据新型微波中功率计量系统的构成原理，结合实际重复性考核测试结果，对系统不确定度分析如表3所示。

计量系统的合成标准不确定度

扩展不确定度

由表3中给出的各不确定度分量值，经计算可得系统的扩展不确定度为3.7% ～6.3%(k=2)。

表3 系统不确定度来源分析

3 实际测试验证

应用本文构建的中功率计量系统，对现有的hp8481B型功率传感器进行了多次测试，测试结果如表4所示。

表4 实际测试结果

由表4可以看到，采用本文提出的测试方案得到的测试结果优于传统的测量方法。并且经过反复测试，系统性能稳定，说明采用该方案开展微波中功率传感器的计量测试基本可行。

4 结束语

基于SYSTEMⅡ功率传递系统的新型微波中功率计量系统构建方案，在一定程度上提高了中功率计量的精度和稳定性。拥有SYSTEMⅡ功率传递系统的计量技术机构只需购置中功率计量所必需的中功率放大器、衰减器、定向耦合器等设备即可实现微波中功率计量，充分挖掘了现有仪器的潜能，可操作性强，性能价格比高。

[1]冯新善，高频.微波功率的计量测试 [M].北京:中国计量出版社，1987.

[2]李新建.脉冲峰值与连续波中功率计自动校准系统的研制[D].南京:南京理工大学，2008.

[3]冯新善.无线电基本参量 [M].北京:中国计量出版社，1987.

[4]国防科工委科技与质量司.无线电电子学计量:上册[M].北京:原子能出版社，2002.

[5]陈薇，解骏.基于SYSTEM－Ⅱ的微波中功率标准系统的设计与实现 [J].舰船电子对抗，2009，32(2):115－117.

[6]齐伟伟.基于负载/源牵引法的微波大功率自动测试系统的研制与应用[D].西安:西安电子科技大学，2007.

[7]苏立轩.宽带国家功率基准测量系统研究 [D].北京:北京交通大学，2008.

[8]陈成仁，崔殿森.实用宽带微波同轴中功率传递系统[J].现代测量与实验室管理，1993(5):27－33.

[9]余振坤，曲文英.射频大功率测量误差分析[J].微波学报，2006，22(3):55－61.

[10]张贵军.微波大功率信号测量不确定度分析 [J].国外电子测量技术，2000(5):14－16.